電解水制氫是一種清潔、高效、可持續(xù)的制氫 技術(shù)，其制氫工藝簡(jiǎn)單，氫氣純度可達(dá) 99.999%， 產(chǎn)品純度高。電解水制氫不受電廠周邊有無(wú)可靠、合格外購(gòu)氫氣條件的限制，設(shè)備壽命期內(nèi)制氫成本 低，已普遍應(yīng)用于燃煤電廠、燃?xì)怆姀S和核電廠， 為這些電廠的氫冷發(fā)電機(jī)持續(xù)提供可靠且滿足發(fā)電 機(jī)純度、濕度要求及用量的氫氣。

為了緩解傳統(tǒng)能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的加劇，國(guó)內(nèi)正在陸續(xù)建設(shè)一批規(guī)?；娘L(fēng)力發(fā)電廠、太陽(yáng)能光伏發(fā)電廠和太陽(yáng)能光熱發(fā)電廠。這些可 再生能源發(fā)電廠配套的氫能一體化項(xiàng)目規(guī)模大，氫氣純度要求高，電解水制氫技術(shù)在大規(guī)模制氫中是 潛力，也是成熟的技術(shù)之一。

1、電解水制氫技術(shù)簡(jiǎn)介

電解水制氫技術(shù)是以除鹽水為原料，借助直流 電的作用，將水分解為氫氣和氧氣的電化學(xué)過(guò)程。根據(jù)電解槽種類(lèi)的不同，電解水制氫主要分為堿性電解水制氫、PEM 質(zhì)子交換膜電解水制氫和固體氧化物電解水制氫三種技術(shù)。由于PEM 質(zhì)子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽造價(jià)相對(duì)較高，應(yīng)用實(shí)例相對(duì)較少，加上堿性電解水制氫的槽體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、價(jià)格相對(duì) 便宜且技術(shù)成熟，目前在傳統(tǒng)電廠應(yīng)用的是堿性電解水制氫。堿性電解水制氫技術(shù)安全可靠、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性能好，也比較適合應(yīng)用于可再 生能源發(fā)電廠配套的大規(guī)模氫能項(xiàng)目。因此，本文中的電解水制氫是指堿性電解水制氫技術(shù)。

2、電解水制氫設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定

由于電解水制氫產(chǎn)生的氫氣屬于甲類(lèi)可燃?xì)怏w，制氫站的生產(chǎn)火災(zāi)危險(xiǎn)性類(lèi)別為甲類(lèi)，制氫站的設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行下列標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的相關(guān)規(guī)定：

1）《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50177－2005），該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氫站的總平面布置、工藝系統(tǒng)、設(shè)備選 擇、工藝布置、建筑結(jié)構(gòu)、電氣及儀表控制、防 雷接地、給水排水及消防、采暖通風(fēng)、氫氣管道、閥門(mén)等相關(guān)設(shè)計(jì)都作了詳細(xì)的規(guī)定，其中以黑體 字標(biāo)志的條文為強(qiáng)制性條文，在設(shè)計(jì)時(shí)必須嚴(yán)格 執(zhí)行。

2）《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50058－2014），制氫站內(nèi)有爆炸危險(xiǎn)房間或區(qū)域的等級(jí)定義應(yīng)符合該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，爆炸危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域的劃分應(yīng)符合《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50177－ 2005） 中附錄A 的規(guī)定。

3）《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016－2014），制氫站內(nèi)有爆炸危險(xiǎn)房間應(yīng)執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，設(shè) 置泄壓設(shè)施。

4）《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50160－2008） 中關(guān)于輸送可燃?xì)怏w的壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定。

5）《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》（GB 4962－2008）， 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了氫氣在使用、置換、儲(chǔ)存、壓縮與充 （灌） 裝、排放過(guò)程以及消防與緊急情況處理、安全防護(hù)方面的安全技術(shù)要求。

6）《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL 5068－2014）中關(guān)于制氫站設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定。

7）《氫冷發(fā)電機(jī)氫氣濕度技術(shù)要求》（DL/T651－2017） 中關(guān)于氫氣濕度技術(shù)要求和氫氣干燥器設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定。

8）《電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范 第6 部分：水處理及制氫設(shè)備和系統(tǒng)》（DL 5190.6－2012） 中關(guān)于制氫設(shè)備的相關(guān)規(guī)定。

9） 《電力建設(shè)施工質(zhì)量驗(yàn)收及評(píng)價(jià)規(guī)程 第6 部分：水處理及制氫設(shè)備和系統(tǒng)》（DL ∕T 5210.6－ 2009） 中關(guān)于制氫設(shè)備的相關(guān)規(guī)定。

10） 《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50030－2013） 中關(guān)于氧氣設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定。

3、電解水制氫在傳統(tǒng)電廠中的設(shè)計(jì)

本文以某2×660 MW 機(jī)組燃煤電廠為例，來(lái)闡述其電解水制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

3. 1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1） 發(fā)電機(jī)充氫容積：120 Nｍ。

2） 發(fā)電機(jī)漏氫量：≤16 Nｍ/24 h。

3） 發(fā)電機(jī)運(yùn)行氫壓：0.5 MPa （g）。

4） 氫氣供應(yīng)出口壓力：0.8 MPa。

5） 補(bǔ)氫純度：≥99.9%。

6） 補(bǔ)氫濕度：露點(diǎn)溫度≤-50 ℃。

3. 2 工藝系統(tǒng)方案

《發(fā)電廠化學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL 5068－2014） 規(guī)定：制氫設(shè)備的總?cè)萘?，宜按全部氫冷發(fā)電機(jī)的正常消耗量以及能在7 天時(shí)間積累起大一臺(tái)氫冷發(fā)電機(jī)的一次啟動(dòng)充氫量之和設(shè)計(jì)。

根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，制氫設(shè)備出力計(jì)算如下：

2 臺(tái)發(fā)電機(jī) 7 天正常氫氣消耗量：16×7×2=224（Nｍ）。

1 臺(tái)發(fā)電機(jī)置換氫氣系統(tǒng)所需氫氣量：120×3=360（Nｍ）。

1 臺(tái)發(fā)電機(jī)充氫至運(yùn)行氫壓所需氫氣量：120×5=600（Nｍ）。

1 臺(tái)發(fā)電機(jī)一次啟動(dòng)的充氫量：360+600=960（Nｍ）。

2×660 MW 機(jī)組制氫設(shè)備出力：（224+960） ÷7÷24=7.1（Nｍ/h）。

基于以上計(jì)算結(jié)果，該電廠電解水制氫站主要設(shè)備配置方案：

1） 配置 1 套 10 Nｍ/h 的電解水制氫裝置及附屬設(shè)備，包括電解槽、氫分離器、氧分離器、氫洗滌器、氫冷卻器、氫氣水分離器、氫排水器、脫氧干燥/純化器、堿液循環(huán)泵、堿液冷卻器、堿液過(guò)濾器等。

2） 配置 1 套電解水制氫輔助設(shè)備，包括堿液箱、除鹽水補(bǔ)水箱、補(bǔ)水泵等。

3） 配置 1 臺(tái)流量為 10 Nｍ /h， 出口壓力為3.2 MPa 的氫氣壓縮機(jī)；配置1 臺(tái)氫氣緩沖罐。

4） 配置 4 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)水容積為 13.9 m3，充氫壓力為3.2 MPa 的氫氣貯存罐。

5） 配置1 套氫氣分配盤(pán)，進(jìn)口壓力為3.2 MPa，出口壓力為0.8 MPa。

6） 配置1 臺(tái)氣動(dòng)閥門(mén)用壓縮空氣貯存罐。

7） 配置1 套氮?dú)馄拷M。

8） 配置在線分析儀器，包括氫氣檢漏儀、氫氣露點(diǎn)儀、氫中氧分析儀和氧中氫分析儀；配置壓力表、壓力變送器、液位計(jì)和溫度計(jì)等儀表。

9） 配置配電柜、整流柜、制氫控制柜和DCS控制柜等電控設(shè)備。

3. 3 設(shè)備布置

電解水制氫站總占地約 33 m×37 m，周?chē)O(shè)有不低于 2.5 m 的實(shí)體圍墻，圍墻內(nèi)分為電解水制氫車(chē)間和貯存罐區(qū)。電解水制氫車(chē)間與貯存罐區(qū)間隔16 m，滿足規(guī)范所要求的安全距離。

電解水制氫車(chē)間包括電解間、輔助間、壓縮間、配電間和控制間，電解水制氫裝置及附屬設(shè)備、氮?dú)馄拷M布置在電解間，電解水制氫輔助設(shè)備布置在輔助間，氫氣壓縮機(jī)、氫氣緩沖罐和氫氣分配盤(pán)布置在壓縮間，配電柜和整流柜布置在配電間， 制氫控制柜和 DCS 控制柜布置在控制間。氫氣貯存罐和壓縮空氣貯存罐布置在室外貯存罐區(qū)。

4、電解水制氫在氫能項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)

本文以某300 MW 風(fēng)力發(fā)電及太陽(yáng)光伏發(fā)電廠為例，來(lái)闡述其配套氫能一體化項(xiàng)目電解水制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

4. 1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1） 電解水制氫規(guī)模：30 MW。

2） 氫氣貯存量：11 100 Nｍ。

3） 氫氣供應(yīng)出口壓力：20 MPa。

4） 氫氣純度：≥99.999%。

5） 氫氣濕度：露點(diǎn)溫度≤-50 ℃。

6） 氫氣中氧含量：≤5 ppm （體積濃度）。

4. 2工藝系統(tǒng)方案

根據(jù)以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該風(fēng)電及光伏發(fā)電廠氫能項(xiàng)目電解水制氫站主要設(shè)備配置方案：

1） 配置6 套1 000 Nｍ/h 的電解水制氫裝置及附屬設(shè)備，每套包括電解槽、氫分離器、氧分離 器、氫洗滌器、氧洗滌器、氫冷卻器、氧冷卻器、氫氣水分離器、氧氣水分離器、氫排水器、氧排水 器、脫氧干燥/純化器、堿液循環(huán)泵、堿液冷卻器、堿液過(guò)濾器等。

2） 配置3 套電解水制氫輔助設(shè)備，每2 套制氫

裝置共用 1 套輔助設(shè)備， 每套輔助設(shè)備包括堿液箱、除鹽水補(bǔ)水箱、補(bǔ)水泵等。

3） 配置 7 臺(tái)流量為 1 000 Nｍ/h，出口壓力為

20 MPa 的氫氣壓縮機(jī)，6 用 1 備；配置 2 臺(tái)氫氣緩沖罐。

4） 配置15 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)水容積為37 m3，充氫壓力為

20 MPa 的氫氣魚(yú)雷貯存罐，并配置3 輛專用魚(yú)雷貯存罐長(zhǎng)管拖車(chē)，用于向各加氫站和氫氣用戶運(yùn)輸高壓氫氣。

5） 由于風(fēng)電及光伏發(fā)電廠不設(shè)置除鹽水制備系統(tǒng)，其配套的氫能項(xiàng)目需在制氫站內(nèi)設(shè)置除鹽水制備和貯存設(shè)備，向制氫設(shè)備提供電解用原料除鹽水。除鹽水制備系統(tǒng)的水源為市政自來(lái)水，采用全膜法處理工藝。

配置3 套出力為4 t/h 的除鹽水制備裝置，2 用1

備；并配置1 臺(tái)100 m3 除鹽水箱，滿足制氫設(shè)備連續(xù)運(yùn)行12 h 除鹽水用量。

6） 配置 1 套氣動(dòng)閥門(mén)用壓縮空氣制備和貯存裝置，包括2 臺(tái)空壓機(jī)，1 套過(guò)濾凈化裝置和2 臺(tái)壓縮空氣貯存罐。

7） 配置 3 套氮?dú)馄拷M，每 2 套制氫裝置共用 1套氮?dú)馄拷M。

8） 配置在線分析儀器， 包括氫氣檢漏儀、氫氣露點(diǎn)儀、氫中氧分析儀和氧中氫分析儀；配 置壓力表、 壓力變送器、 液位計(jì)和溫度計(jì)等儀表。

9） 配置變壓器、整流柜、制氫控制柜和DCS控制柜等電控設(shè)備。

4. 3 設(shè)備布置

電解水制氫站總占地約 129 m×103 m，周?chē)O(shè)有不低于 2.5 m 的實(shí)體圍墻，圍墻內(nèi)分為電解水制氫車(chē)間和長(zhǎng)管拖車(chē)充裝站。

電解水制氫車(chē)間與長(zhǎng)管拖車(chē)充裝站間隔 40 m， 滿足規(guī)范所要求的安全距離。電解水制氫車(chē)間包括電解間、輔助間、壓縮間、氮?dú)馄块g、除鹽水制備間、空壓機(jī)間、變壓器間、整流柜間和控制間，電解水制氫裝置及附屬設(shè)備布置在電解間，電解水制氫輔助設(shè)備布置在輔助間，氫氣壓縮機(jī)和氫氣緩沖罐布置在壓縮間，氮?dú)馄拷M布置在氮?dú)馄块g，除鹽水制備和貯存設(shè)備布置在除鹽水制備間，壓縮空氣制備和貯存裝置布置在空壓機(jī)間，變壓器布置在變壓器間，整流柜布置在整流柜間， 制氫控制柜和 DCS 控制柜布置在控制間。

氫氣魚(yú)雷貯存罐每 5 罐為 1 組，按車(chē)位順序依次停放在3 個(gè)長(zhǎng)管拖車(chē)充裝站內(nèi)，長(zhǎng)管拖車(chē)充裝站為敞開(kāi)式建筑，上部設(shè)有頂棚。

5 、結(jié) 論

堿性電解水制氫技術(shù)的槽體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、價(jià)格便宜且技術(shù)成熟，已普遍應(yīng)用于燃煤電 廠、燃?xì)怆姀S和核電廠的氫冷發(fā)電機(jī)補(bǔ)氫。這些傳 統(tǒng)電廠設(shè)置的電解水制氫裝置設(shè)計(jì)出力一般為 10 Nｍ/h，配套設(shè)置相應(yīng)貯氫容量的氫氣貯存罐， 能為電廠氫冷發(fā)電機(jī)持續(xù)提供可靠且滿足發(fā)電機(jī)純 度、濕度要求及用量的氫氣。

堿性電解水制氫技術(shù)安全可靠、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性能好， 在大規(guī)模制氫中是潛力， 也是成熟的技術(shù)之一， 比較適合應(yīng)用于風(fēng)力、太陽(yáng)能光伏、太陽(yáng)能光熱等可再生能源發(fā)電廠配 套的氫能一體化項(xiàng)目。這些大規(guī)模氫能項(xiàng)目設(shè)置 的電解水制氫裝置設(shè)計(jì)出力一般為 1 000 Nｍ/h， 配套設(shè)置相應(yīng)貯氫容量的氫氣魚(yú)雷貯存罐和專用 魚(yú)雷貯存罐長(zhǎng)管拖車(chē)，能為各加氫站和氫氣用戶 持續(xù)提供可靠且滿足純度、濕度要求及用量的氫氣。